POSTECH 연구팀, 그래핀-실리콘 포토디텍터의 광검출능 향상법 개발

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 전자전기공학과 반도체 기술 융합센터(CSTC) 이병훈 교수, 유태진 박사 연구팀이 그래핀/p형 실리콘 접합구조를 이용해 고효율 포토디텍터를 제조하는 데 성공했다. 

그래핀을 미리 도핑하는 간단한 방법만으로 검출도와 암전류 특성을 쉽게 개선하는 것이 주목할만한 결과이다. 이번 성과는 국제학술지 '레이저 앤드 포토닉스 리뷰즈(Laser & Photonics Reviews)‘ 16일자에 게재됐다.

포토디텍터는 광신호를 검출해 전기적인 신호로 바꾸어 주는 광검출기이다. 연구팀은 기존의 포토디텍터에 그래핀을 폴리에틸렌이민(PEI) 도핑하고, 쇼트키 장벽 높이를 0.42eV에서 0.68eV로 조절함으로써 크기가 작은 신호를 감지하도록 성능 개선에 주력했다.

이 방법처럼 쇼트키 장벽 높이를 0.26eV 조절했을 때, 포토디텍터의 암전류는 기존과 비교해 3배(980nA에서 219pA로) 감소했다. 뿐만 아니라, 도핑되지 않은 그래핀/p형 실리콘 광검출기와 비교했을 때, 근적외선(850nm)에서 광검출능(Detectivity)이 529% 향상된 결과를 보였다.

이번에 개발된 그래핀-실리콘 이종접합 포토디텍터는 낮은 암전류로 대기전력을 줄여 소모 전력을 줄일 수 있으며 매우 작은 신호도 감지할 수 있다. 

때문에 소형화, 고속화 되어가는 디지털카메라, 이미지 센서, 동작인식센서, 광통신 시스템 등 정밀한 분야에 응용 가능성이 높을 것으로 기대된다.

한편, 연구를 통해 개발된 기술은 그래핀 광센서 관련 창업기업인 시그마포토닉스에 이전, 상용화도 추진할 계획이다.

POSTECH 이병훈 교수는 “매우 쉬운 화학적 도핑 방법을 이용해 광센서의 암전류를 획기적으로 저감했다”며 “그래핀 광센서의 상용화를 앞당기고 자율주행자동차, 이미지 센서, 광통신 등 다양한 산업 분야에 응용 가능한 신기술이 될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구는 글로벌프론티어사업 3D 집적 반도체소재 원천기술 및 응용 연구, 창의소재 디스커버리사업 멀티레벨 소재 설계 및 응용 연구, 나노소재 원천기술개발사업, 과학기술정보통신부 그래핀 배리스터 기반 삼진 로직 소자개발 및 집적공정, 아키텍쳐 연구, 창업기업 시그마포토닉스(2018) 사업의 지원으로 수행됐다.